Современные технологии переработки тонкостенного алюминия

2. Современные  технологии переработки тонкостенного  алюминия

В качестве перерабатываемого  сырья используются упаковочные  материалы, отходы фольги, стружки, металлопластиковые материалы, узлы промышленной и бытовой  электроники, электроаппаратуры и  т. п.

Традиционные методы переработки  такого сырья – это расплавление сырья в плавильных агрегатах  с дальнейшей разливкой в чушки  либо сжигание с безвозвратной потерей  всех составляющих. При такой переработке  образуются золы, шлаки, шламы, подлежащие захоронению, а вредные выбросы  в атмосферу дополнительно усугубляют неблагоприятную экологическую  ситуацию¹.

2.1. Общий технологический  цикл переработки отходов металла

Металлоперерабатывающие производственные подразделения имеют даже при  неполной загрузке большое количество металлической стружки и пыли.

Металлическая стружка и  металлическая пыль образуется при  механической обработке, заготовке, при  заточке, шлифовке изделий. Зачастую на одном и том же оборудовании, на одном и том же станке могут  образовываться отходы разных металлов, так как обрабатываются заготовки  из разных металлов. Для отделения  отходов разных металлов можно использовать магнитные свойства отходов железа. Притягиваясь к магниту стальные опилки отделяются от других металлических  отходов и собираются отдельно в  соответствующей таре. Далее они  направляются на переработку. В частности  из однотипной стружки можно способом горячей штамповки при t=+1000-1200°С получать монолитную деталь не требующую  дальнейшей обработки. Преимущество горячей  штамповки: работа при более низких температурах (огромная экономия энергетики), отсутствие потерь, 100% использование  ТПО. ТПО из нержавеющей стали  собираются в отдельную тару и ни в коем случае их нельзя смешивать с другими металлическими отходами. После сбора такие ТПО направляются на переработку.

Во ВНИИ твердых сплавов  разработан способ утилизации металлической  стружки, который заключается в  том, что стружка не перерабатывается в порошковую сталь. Это исключает  дорогостоящий процесс литья, который  для своего проведения требует значительного  количества энергетики. Этот способ может  быть использован на любом металлоперерабатывающем  производстве. Согласно этого способа  металлическая стружка, отмытая  от масел в бензине или в  керосине загружается в шаровую  или в вибромельницу в среду  этанола и размалывается до заданной степени помола. Полученный таким  способом порошок замешивается в  смесителе на растворе синтетического каучука в бензине и прессуется на 500-тоном прессе. Полученный таким  образом полуфабрикат, обладающий значительной пористостью (около 30%), далее спекается  в защитной атмосфере или в  вакууме. С целью получения заданной формы заготовку подвергают горячей  ковке или прокатке. Таким способом получают порошковую сталь с мелкими  зернами. Это позволяет вводить  в такую сталь практически  любые легирующие добавки. Следует  отметить, что стойкость и стабильность резцов , полученных вышеописанным  способом больше обычных в три  раза. Болем того предварительное  введение в смесь небольших количеств  титана (Ti) повышает твердость инструмента², уменьшает коэффициент трения, увеличивает срок службы резцов. Более того, добавка титана позволяет интенсифицировать ряд технологических операций: размол, прессование, спекание. В 80-х годах разработаны технологические приемы переработки ТПО сверхтвердых сталей, которые основаны на вакуумной и электрошлаковой переплавке в специальном пульсирующем магнитном поле. Проведенные в то время специальные исследования показали, что электрошлаковый переплав ТПО сверхтвердых сталей в пульсирующем магнитном поле - эффективный способ восстановления изношенного инструмента для горячей штамповки.

Брак, литники, металлическая  стружка после механической обработки  являются хорошим материалом для  приготовления шихты. В то же время  применение для плавки одних отходов  не рекомендуется, так как при  этом может повысится газонасыщенность металла и увеличится содержание окислов.

При этом количественное содержание отходов, вводимых в плавку не должно превышать 35-40% от общей массы шихты. Если требуется проведение нескольких литейных сплавов, то нужно строго следить, чтобы не производилось смешивание ТПО металла различного состава. Поэтому возврат (ТПО металла) следует  хранить строго по сплавам, ни в коем случае не допуская даже ошибочного разового смешения, в четко замаркированной  таре и в разных местах для разного  сплава так, чтобы случайное смешение свести к минимуму.

Для литейного производства характерно одновременное движение большого количества металла, песка  и вспомогательных материалов. Важным этапом литейного производства является регенерация отработанных формовочных  смесей. Эта регенерация включает следующие стадии технологического процесса³:

• Дробление кусковой использованной формовочной массы.
• Очистка от металлических включений.
• Просев с одновременным продуванием воздухом и отсосом пыли.
• Оттирка зерен песка от связующего.
• Повторное обеспыливание.
• Дробление формовочной смеси производится в два этапа:
• Предварительное дробление на валковых дробилках.
• Окончательное дробление на роторных дробилках.
• Очистка раздробленной формовочной массы от металла производится с помощью магнитных сепараторов.

Наиболее удобным способом конструктивного исполнения такого сепаратора является установка электромагнитной очистки формовочных.

Ее конструктивное исполнение позволяет полностью извлекать  металлические частицы из отработанной и хорошо раздробленной формовочной  смеси. При дроблении, магнитной  сепарации и обеспыливании разрушаются  частично глинистые корки и пленки связующих с поверхности частиц песка. Для окончательной очистки  песка производится его пневморегенерация (т.е. регенерация струей воздуха). Весьма часто для очистки песка используется способ «кипящего» слоя. Для этого  в движущийся слой песка вводят вращающиеся  лопатки. При этом скорость воздуха  рассчитывается так, чтобы частицы  песка не уносились с воздухом, а находились в потоке во взвешенном состоянии, т.е. как бы кипели. Скорость движения песка регулируется так, чтобы  период нахождения частицы песка  был вполне достаточным для ее полной очистки. Сложнее переводится  регенерация жидкостекольных самоотверждающихся смесей. Для восстановления таких  смесей применяется способ химического  восстановления свойств песка, который  основывается на селективном растворении  в кипящем растворе щелочи. Концентрация щелочи 1- 15%; время обработки = 1 час, температура +100°С; степень извлечения жидкого стекла не менее 70%. Эффективность  процесса регенерации на основе селективного растворения позволяет его использовать не только с обычными материалами  типа кварцит, но и с дефицитными  продуктами, такими как например электрокорундом. Способ селективного растворения обеспечивает высокое качество регенерации. Содержание примесей в регенерированном продукте составляет: SiO₂ 0,6%; FeO₃ 0,12%; Na₂O 0,04%. Переработка ТПО основных материалов литейного производства не решает всех проблем и в частности использования вспомогательных материалов. К таким материалам следует отнести золу и шлак, которые образуются при сжигании. Шлаки в зависимости от места добычи содержат различные ценные компоненты. Известно, что бурые угли, дают шлаки с высоким содержанием алюминия. Поэтому, мартеновские шлаки применяются в качестве флюсов в доменных печах. Сварочные шлаки из нагревательных печей богаты железом.

Поэтому, такие шлаки добавляются  в шихту в доменных печах для  частичной замены руды с целью  ее экономии. Шлаки, содержащие фосфор, могут использоваться в качестве минеральных удобрений. Однако здесь  следует обратить пристальное внимание на то, чтобы в таких продуктах  не содержались канцерогенные вещества и особенно галоидированные ДО и  ДПВ. Как известно I и II представитель  ДО, как наиболее опасные (См. предыдущие главы) имеют высокую температуру  плавления и кипения. А ДО, содержащие бром, синтезируются в качестве побочных продуктов при t=+700-900°С и это является очень опасным фактором. Поэтому  при использовании шлаков всех видов  необходимо знать предысторию и  экогеографию добычи исходного топлива, которое служит сырьем для получения  шлака. Бездумно использовать любой  практически продукт, содержащий ценный компонент ни в коем случае нельзя.

Особенно это касается сырьевых материалов, где могут участвовать  галогены хлор, бром. Опыт подсказывает, что в некоторых случаях шлаки  с успехом могут применяться  в медицинской практике. Доменные шлаки с учетом вышесказанной  оговорки содержат ряд химических соединений серы, кальция, магния, железа. Растворяясь  в воде и используя такую воду после проведения тщательного анализа, можно излечивать ряд болезней: невралгические заболевания, различные формы костно-суставных  заболеваний. Но разумеемся перед применением  для лечения такую воду следует  проанализировать на содержание канцерогенов в том числе и на супертоксиканты  – галоидированные ДО и ДПВ. Для  проведения анализа на эти ксенобиотики ДО и ДПВ требуется применение специальных методов анализа: концентрирования и отделения от фоновых веществ, и далее проведение анализа на ДО и ДПВ с помощью газовой хроматографии и масс-спектрографии с высокой разрешающей способностью и чувствительностью.

Без проведения таких анализов использовать шлаки для приготовления  минерализованной лечебной воды нельзя.

Кроме данного применения шлаки используются в качестве наполнителя  в строительной индустрии для  формования из цементной смеси шлакоблоков. Но это подробно рассматривается  в соответствующем параграфе.

2.2. Характеристика  отдельных видов алюмосодержащего  сырья и способов их переработки

Общемировая тенденция роста  объемов потребления алюминия, ужесточение  экологических требований и дефицит  энергоресурсов, требует повышения  эффективности извлечения алюминия из отходов производства.

Глинозем АI₂О_з является основным исходным материалом в производстве алюминия. Рудной базой для производства глинозема служат преимущественно бокситы, а также нефелины, алуниты и некоторые другие глинозёмсодержащие руды [5]. Глинозем получают тремя способами: щелочным, кислотным и электролитическим. Наибольшее распространение имеет щелочной способ (метод К. И. Байера, разработанный в России в конце позапрошлого столетия и применяемый для переработки высокосортных бокситов с небольшим количеством (до 5-6%) кремнезема). С тех пор техническое выполнение его было существенно улучшено. Схема производства глинозема по способу Байера представлена на рис. 2.2.1.

Рис. 2.2.1. Схема  получения окиси алюминия по способу  Байера

Можно назвать несколько  определяющих требований к качеству глинозёма:

- повышенная скорость  растворения в электролите и  достаточная адсорбционная (поглащающяя) активность поверхности относительно летучих фтористых соединений;

- хорошая текучесть при  возможно меньшем пылении; 

- удовлетворительные теплофизические  свойства.

 В промышленных условиях следует стремиться к максимальному совмещению этих свойств в используемом глинозёме.

Скорость растворения являются наиболее значимым показателем качества глинозёма. Промышленный опыт показывает, что узкий диапазон частиц глинозёма +45-100 мкм со сдвигом крупности ближе к 100 мкм И содержание a-А1₂О_з не более 10% (остальное А1₂О_з) обеспечивают хорошую смачиваемость и удовлетворительную скорость растворения глинозёма в электролите [10].

Это достигается за счёт большого содержания в глинозёме  частиц y-АI₂О_з, имеющих развитую ультрапористую структуру, достаточно большую удельную поверхность (более 60-80 м²/г), определённую методом гелиевой адсорбции или сокращенно «по БЭТ», и высокую степень насыщения структуры не скомпенсированными химическими связями. Особенно велико их химическое сродство к фтору, что и придаёт им свойства повышенной растворимости в электролите. Химическое сродство глинозёма· к фтору проявляется также в эффективном улавливании фтористых соединений в сухой газоочистке [9].

Не менее важным свойством  глинозёма является его способность образовывать устойчивую корку на поверхности электролита. Мягкая, но достаточно плотная корка с хорошим сцеплением частиц образуется при использовании глинозёма с теми же характеристиками по содержанию a-А1₂О_з и класса менее 45 мм, которые указаны выше для песчаного глинозёма.

Такая корка хорошо пропитывается  электролитом и содержит больше глинозёма, легче поддаётся разрушению при обработке электролизёров и при ударе пробойника АПГ, чем корки, образующиеся при использовании мучнистого глинозёма. Следует также отметить, что устойчивая корка образуется при условии, когда глинозем хорошо смачивается электролитом. Мучнистый глинозём, в отличие от песчаного, смачивается значительно хуже, и корка состоит преимущественно из застывшего электролита, поверх которого находится глинозём. Прочность такой корки очень высока [6-8].

Теплопроводность  и объёмная плотность глинозема играют большую роль в тепловом балансе электролизёра, в том числе в регулировании тепловых потерь через глинозёмную засыпку или укрытие анодного массива у электролизёров ОА, в поддержании стабильного уровня электролита и защите боковых поверхностей анода от окисления.